2. 第二章 相關研究
2.4 Related Work
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圖 2-7 SQSA 系統架構圖[13]
2.4 Related Work
在本節中，我們介紹一些在排程方面的相關研究，包括頻寬請求、封包優先 順序、或是壅塞控管等許多跟排程有關的研究都可以有效改善網路效能，但也存 在一些取捨。
在[8]中，MR-BS 透過定期 polling 分配 RS、MS 中 real time 服務的頻寬需求。
作者定義一動態調整 polling 區間的公式，當沒有頻寬需求時就拉長 polling 的間
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隔時間。
𝑇
𝑖= { 𝑇
𝑖,𝑚𝑖𝑛𝑚𝑖𝑛{2
𝑛−𝑁𝑖× 𝑇
𝑖,𝑚𝑖𝑛, 𝑇
𝑖,𝑚𝑎𝑥} 𝑛 = 1, 2, 3, … , 𝑁
𝑖𝑛 > 𝑁
𝑖(7) 𝑁𝑖為 RS poll 第 i 個 MS 沒有頻寬需求的次數，𝑇𝑖為 poll MS 的間隔，𝑇0是 BS poll RS 的間隔時間，𝑁0為 poll RS 但沒有頻寬需求的次數，n 表示在 idle 區間之後 poll 沒有頻寬需求的次數。圖 2-8 為頻寬需求的流程，BS 每𝑇0間隔 poll RS 一次，
RS 每𝑇𝑖 poll MS 一次，當 poll RS 超過𝑁0、poll MS 超過𝑁𝑖皆無頻寬需求時便開 始調整 polling 的間隔。
Polling 的方式可以減少競爭所產生的碰撞，但如果沒有頻寬需求，MR-BS 每次去 poll 底下的 RS 也會造成頻寬浪費。此外，在變動的網路狀況，poll 的間 格無法及時反應就有可能造成封包的延遲。
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圖 2-8 Bandwidth Request Algorithm in WiMAX.[8]
在頻寬請求的研究中，除了以 polling 的方式主動詢問需求外，另一個方式 就是透過 contention 競爭，但許多頻寬需求同時發送就會造成碰撞，就要重新發 送頻寬請求，這樣的狀況不僅浪費頻寬也會讓 delay 變長，因此也有研究是針對 頻寬請求的機制作修改。
Chu[14]發現 MS 在請求頻寬時會產生 Ranging Code，當很多的 MS 在競爭 頻寬時，會因為同時選取到相同的 Ranging Code 而產生碰撞。因此作者提出在 請求頻寬時發出 n 個 Ranging Code 以增加頻寬請求的成功率，降低之後 back off 機制使 MS 重新選擇 Ranging code 所浪費的時間。但當網路負載很重時，單一個
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MS 發出過多的 Ranging Code 會加重網路的負擔，因為即使有一個 Ranging Code 沒有碰撞而使 MS 頻寬請求成功，但其餘發生的碰撞就是在浪費網路的頻寬。因 此增加 Ranging Code 的數量是需要考量的，根據網路狀況選擇 n 的大小能有效 請求頻寬且不至於造成太多的網路負擔。
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3. 第三章 方法論
我們將於本章說明允入控制機制，如未經過篩選可能造成頻寬評估不夠準確，
以及 MR 網路中 access zone 大小的評估，盡可能使每個基地台能充分利用 access zone 的頻寬不致浪費。最後評估網路傳送時產生的干擾，由於 WiMAX 有動態 適應調變的機制，因此透過分群盡可能不影響到通道品質，維持原本高 data rate 的調變。
3.1 問題分析
3.1.1. 通道品質不佳的連線允入控制
無線網路中基地台傳輸前會量測通道品質，再根據通道品質使用不同等級的 調變。在 WIMAX 中 MS 會在進入網路時量測 CINR 值，再依據這些量測值使用 不同的調變。一般排程在做允入控制時僅考慮系統剩餘頻寬，而沒有考慮通道品 質，一些通道品質差的連線封包傳送的錯誤率可能很高，不斷地重傳會因造成過 高的延遲變成無效封包而浪費頻寬。另一個考量是當通道品質很好，使用較高速 率的 data rate，相同大小的資料量就可以用較少的時間傳輸完。此外，系統如果 以較高的調變評估頻寬，系統容量將被高估，若允許過多的連線就會造成網路壅 塞。因此在允入控制時查看通道品質是否要允許通道品質差的連線需求是一個改 善網路效能的考量。
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MCS level Coding rate Required CINR(dB)
QPSK
表 3-1 MCS Table for Adaptive Modulation & Coding
3.1.2. 動態配置的 access zone 仍存在頻寬浪費
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24 BS
RS1
RS2
RS3
Access Zone
圖 3-1 Example of wasted bandwidth in Access Zone
3.1.3. 所有允入連線的傳送優先順序
通過允入控制的連線的下一階段就是要做排程。由於每個 connection 分屬於 不同的 service flow，不同的 service flow 有不同的 QoS 等級，每個 QoS 等級都 有不同的參數規定，有些即時性的連線需要在限定的 delay constraint 時間內完成，
否則就算傳送到目的地也是無效封包。因此當 BS 收到所有的連線需求時，頇根 據 QoS 等級的參數及通道品質來安排連線傳輸的先後順序以避免有安排傳送卻 因過度延遲而變成無效封包。
3.1.4. MR 環境中的傳輸干擾
在 MR 的環境中多加入了 Relay Station 以加強 BS 資料傳輸容量及改善市區 中大樓的遮蔽問題。但由於基地台佈建變得相對密集，不同的基地台在同一時間 的傳輸，即便是不同的頻率也會造成彼此間的干擾，增加封包接收的錯誤率，同 時也降低了裝置接收資料時量測調變的 CINR 值，使傳輸時無法用較高速的調變，
資料傳輸速率也變得更低，更糟的情況會造成封包嚴重碰撞，需要不斷重傳使網 路壅塞、效能低落。
因此在設計排程時應該將不會干擾的連線分群同時傳送，且避開會干擾的連
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線以有效提升 MR 中網路的傳輸效率。但無線網路環境變動相當快，幾乎沒有一 個演算法可以最佳化連線的分組，我們只能修改調整一些參數去逼近最佳狀況，
降低干擾所造成的影響。
3.1.5. MR 值中維持 QoS 的保證
WiMAX 在 802.16j 中定出五種不同等級的 QoS，依優先權高低分別為 UGS (Unsolicited Grant Service)、ertPS (Extended Real-Time Variable Rate Service)、rtPS (Real Time-Variable Rate Service)、nrtPS (Non-Real Time Variable Rate Service)及 BE (Best Efforts Service)。雖然 WiMAX 規格中有制定各 QoS 類別的規範，但僅 規定頇滿足那些條件，實際的排程還是交給製造廠商設計。
也因為有了五種封包等級的規範，我們在設計排程演算法時就可以將不同服 務連線納入考量。在 MR 的環境中，經過多個 hop 的連線必定會延長封包的傳送 時間，我們可以參考各 QoS 的參數加以調整以符合服務需求。
綜合以上問題我們首先在連線允入控制多考慮通道品質，篩選出使用較高調 變的 MS，以增加封包傳送效率。而在分配 access zone 時應將即時性服務與非即 時性服務分開計算，降低各基地台 access zone 中的頻寬浪費，才可有效提升頻 寬使用率及網路整體的 throughput。最後在基於 WiMAX 規範的 QoS 保證中，我 們不希望因為干擾而使原本評估的路徑及頻寬配置不如預期，因而提出分群的概 念，拉大同時傳送資料基地台的距離，避免干擾等碰撞問題。
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sub-channel 可以發揮更好的效率。首先計算各 QoS 等級的系統剩餘頻寬，當要 求資源的連線進入，系統會檢查剩餘頻寬是否足以供給此連線，如果不足則拒絕‧ 國
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連線進入。除了最小頻寬保留機制外我們再加入一個判斷，讓使用較好調變的連 線有比較高的優先權進入系統。我們依舊照 QoS 等級保留頻寬，因為是中央控 管的排程，我們分別記錄兩種不同調變的需求，有較高調變的連線優先使用頻寬，
而 UGS 連線類別會定期給予頻寬。以下定義其他類別服務的表示式及虛擬碼：
𝑃𝐵𝑒𝑟𝑡𝑝𝑠: Preserved Bandwidth of erPSs service type 𝑃𝐵𝑟𝑡𝑝𝑠: Preserved Bandwidth of rtPS service type 𝑃𝐵𝑛𝑟𝑡𝑝𝑠: Preserved Bandwidth of nrtPS service type 𝑈𝐵𝑒𝑟𝑡𝑝𝑠𝑄𝑃𝑆𝐾: Used Bandwidth of ertPS service type with QPSK 𝑈𝐵𝑒𝑟𝑡𝑝𝑠𝑄𝐴𝑀: Used Bandwidth of ertPS service type with QAM 𝑈𝐵𝑟𝑡𝑝𝑠𝑄𝑃𝑆𝐾: Used Bandwidth of ertPS service type with QPSK 𝑈𝐵𝑟𝑡𝑝𝑠𝑄𝐴𝑀: Used Bandwidth of ertPS service type with QAM 𝑈𝐵𝑛𝑟𝑡𝑝𝑠𝑄𝑃𝑆𝐾: Used Bandwidth of nrtPS service type with QPSK 𝑈𝐵𝑛𝑟𝑡𝑝𝑠𝑄𝐴𝑀: Used Bandwidth of nrtPS service type with QAM 𝑃𝐵𝑒𝑟𝑡𝑝𝑠 ≥ 𝑈𝐵𝑒𝑟𝑡𝑝𝑠𝑄𝑃𝑆𝐾+ 𝑈𝐵𝑒𝑟𝑡𝑝𝑠𝑄𝐴𝑀
𝑃𝐵𝑟𝑡𝑝𝑠 ≥ 𝑈𝐵𝑟𝑡𝑝𝑠𝑄𝑃𝑆𝐾+ 𝑈𝐵𝑟𝑡𝑝𝑠𝑄𝐴𝑀
𝑃𝐵𝑛𝑟𝑡𝑝𝑠 ≥ 𝑈𝐵𝑛𝑟𝑡𝑝𝑠𝑄𝑃𝑆𝐾 + 𝑈𝐵𝑛𝑟𝑡𝑝𝑠𝑄𝐴𝑀
𝑀𝑜𝑑𝑢𝑙𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑐𝑙𝑎𝑠𝑠 𝑠𝑒𝑡 = *𝑄𝑃𝑆𝐾, 16𝑄𝐴𝑀, 64𝑄𝐴𝑀+
我們在每一個 CAC 的區間內，將不同 QoS 等級的需求分別記錄，最後再依調變 速度計算優先順序，調變類別分為兩類，QPSK 及 QAM，目的是希望允入的連 線是用較高的速度傳送，根據這樣的定義，提出 modulation-aware 的允入控制演 算法。
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Modulation-aware CAC:
Based on preserve bandwidth CAC.
When a link requests bandwidth If modulation is QPSK
temporary store link request in 𝑈𝐵𝑄𝑃𝑆𝐾
// temporary store link request,
// if there is higher link request which use // higher modulation , it will be prempted If modulation is QAM
If there is not enough bandwidth in 𝑃𝐵𝑄𝐴𝑀 If 𝑈𝐵𝑄𝑃𝑆𝐾in the same QoS type is enough
reject original QPSK link request,
accept this link request // prempt low modulation link Else
reject this link request Else
accept this link request End
3.2.2
動態調整 non-real time 頻寬需求以降低各基地台頻寬使用差距在 WiMAX 公用網路頻寬需求中，一般的網頁瀏覽、收發 e-mail 等應用是相 當普遍的網路服務，這類的服務屬於 non-real time 的類別，由於這類的封包類型 可以有較高的 delay 容忍度，因此我們調整這類的封包需求來帄衡每個基地台 access 傳輸的需求。在選定 access zone 大小前，我們定義一些符號來計算 access zone 的大小，環境假定為一個 BS，數個 RS，排程的機制為 MR-BS 中央控管：
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access zone 中剩餘的長度，盡量使各基地台的 access 差距縮小。詳細流程的虛擬 碼如下：Balancing Scheduling of Access Zone Algorithm :
Consider the connections which are already accepted by system.
rtQueue(i) : real time service bandwidth request of Station i nrtQueue(i): non-real time service bandwidth request of Station i Access(i): allocated bandwidth in access zone of Station i
For BS and each RS
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Collect bandwidth requests from every MS according to service type
If max rtQueue(i) not zero //use real time service for access zone AccessZone = max rtQueue(i) in all BS/RS access request
Else
AccessZone= max nrtQueue(i)
While( 𝐴𝑐𝑐𝑒𝑠𝑠(𝑖) 𝑛𝑜𝑡 𝑒𝑥𝑐𝑒𝑒𝑑𝑠 𝐴𝑐𝑐𝑒𝑠𝑠𝑍𝑜𝑛𝑒 − 𝐵𝑅𝑟𝑡(𝑖) )
Station i allocates 𝐵𝑅𝑛𝑟𝑡(𝑖) from nrtQueue(i) for 𝐴𝑐𝑐𝑒𝑠𝑠(𝑖) update access allocation in appropriate DL MAP
End
接著我們比較 access zone 頻寬的使用率，彈性配置 non real time service 能使每個 RS 的 access zone 有比較好的頻寬利用率。 技術是可以動態調整的(Adaptive Modulation Coding)，透過每段時間的 ranging 可以偵測出連線間的通道品質，進而調升或調降調變等級。在 WiMAX 的調變中，
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生嚴重的碰撞，造成資料重傳，不僅會使 delay 變長，也可能使網路陷入壅塞。
當傳輸間彼此的距離太近就會產生干擾而使資料傳輸錯誤或不完全，如圖 3-2 中 MS1 與 MS2 在傳輸時就可能會互相干擾。我們提出一個分群方法，是根 據 WiMAX 各種調變傳輸距離的特性將 BS 下第一層的 RS 分群並編時區號碼，
編號方式如下：首先 BS 會知道共有幾個 RS 在其下第一層訊號範圍內。由於間 隔最小從 1 開始，因此若 RS 為奇數個則至少分三組，若為偶數則分兩組。分組 方式為以 BS 北邊最近之 RS 開始每間隔一個基地台編時區號碼，以圖 3-2 為例，
BS、RS1、RS3、RS5 會編為同一時區，RS2、RS4、RS6 會編為第二時區；若 BS 基地台下屬 RS 基地台為奇數個，則最後一個 RS 將編為第三時區。接著 BS 依照各頻寬請求分入不同時區將訊息寫於 MAP 中廣播送出。
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32 MS1
MS2
MR-BS RS1
RS2
RS3
RS4
RS5 RS6
MS3
MS4
圖 3-2 傳輸干擾示意圖
當為了提升更高的網路容量，RS 的佈建會變得更密集，此時因為距離拉近，
間隔一個 RS 中繼站仍可能因距離太近而產生碰撞重傳，因此我們在傳輸中設定 一個 retransmission ratio，當系統感知到重傳比例很高時，就加大時區的 interval，
而 retransmission ratio 降到可以接受的區間再將分區的 interval 縮小，減少分群的
而 retransmission ratio 降到可以接受的區間再將分區的 interval 縮小，減少分群的